Denitrifikation ist ein mikrobieller Prozess, in dem Lachgas (N2O) von Mikroorganismen in Böden gebildet wird. N2O ist ein wichtiges Treibhausgas (~298-mal höheres Treibhausgaspotenzial als CO2), das an globaler Erwärmung und dem Abbau der Ozonschicht beteiligt ist.
N2O entsteht, wenn Sauerstoff (O2) im Boden knapp wird. Denitrifizierende Bodenmikroorganismen nutzen anstelle von O2 Nitrat (NO3–), das schrittweise reduziert wird: NO3– ➔ NO2– ➔ NO ➔N2O ➔ N2. NO, N2O und N2 gelangen dabei als gasförmige Verluste aus dem Boden in die Atmosphäre. Während der Anteil von NO, der bei der Denitrifikation gebildet wird, meist gering ist, können große Mengen als N2O und N2entstehen. Ob N2O oder N2 das Hauptendprodukt ist, hängt von vielen Faktoren ab, darunter die Bodenfeuchtigkeit, der pH-Wert des Bodens, die Verfügbarkeit von NO3– und organischem Kohlenstoff – alles Faktoren, die auch durch wachsende Pflanzen beeinflusst werden. Zu N2O-Emissionen wird seit mehreren Jahrzehnten intensiv geforscht, zu N2-Emissionen gibt es jedoch so gut wie keine Emissionsdaten aus Feldmessungen. Zum einen ist die Messung der N2-Verluste durch Denitrifikation kompliziert, teuer und aufwändig, vor allem weil die Atmosphäre zu 78 % aus N2 besteht. Außerdem ist N2 inert und für die Umwelt nicht schädlich, weshalb der Fokus zumeist auf dem klimaschädlichen N2O liegt. Um jedoch Minderungsstrategien zu entwickeln, ist es von entscheidender Bedeutung die Dynamik des kompletten Denitrifikationsprozesses und den Einfluss verschiedener Pflanzenarten zu verstehen.
Feldversuch auf dem Reinshof
Im Frühjahr 2021 wurde auf der Versuchsstation Reinshof ein Feldversuch mit zwei standorttypischen Kulturen angelegt: Winterweizen (Triticum aestivum L.) und Zuckerrüben (Beta vulgaris subsp. vulgaris). Um N2-Emissionen zu messen, haben wir die 15N-Gasflussmethode angewendet (Well et al. 2019). Diese beruht darauf, dass N-Dünger mit einer hohen Anreicherung des schwereren 15N Isotops (≥ 60 at%) verwendet wird, sodass die entstehenden Gase (N2O und N2) ebenfalls einen hohen Anteil 15N haben und mittels Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie (IRMS) bestimmt werden können. Zusätzlich wird die Gassammelhaube vor der Probenahme mit einem N2-freien Gasgemisch (80 % Helium, 20 % O2) gespült. Entwicklung und Aufbau der Probenahmetechnik, Probenanalytik und die Datenauswertung erfolgte in enger Zusammenarbeit mit dem Thünen Institut für Agrarklimaschutz.
N2O- und N2-Emissionen wurden wöchentlich während der Wachstumsperiode von April bis Ende Oktober gemessen, Pflanzenwachstum und N-Aufnahme erfasst, sowie der Gehalt an mineralischem N und wasser-löslichem organischem C im Boden analysiert.
Hohes Verlustpotential abhängig vom Entwicklungsstadium
Pflanzenwachstum und -entwicklung unterschieden sich stark zwischen den beiden Kulturarten, was sich auch in der Verfügbarkeit von mineralischem N und organischem C im Boden widerspiegelte. Beide Pflanzenarten beeinflussten alle Kontroll- und Einflussfaktoren der Denitrifikation und die Dynamiken unterschieden sich deutlich im zeitlichen Verlauf. Kumulierte N2O-Emissionen lagen bei 1,01 ± 0,27 kg ha-1 für Winterweizen und 0,81 ± 0,19 kg ha-1 für Zuckerrübe. Die gesamten gasförmigen N-Verluste (N2O+N2) beliefen sich auf 8,60 ± 2,21 kg N ha-1 und 5,53 ± 0,96 kg N ha-1 über den Versuchszeitraum von 189 bzw. 161 Tagen mit N2O/(N2O + N2)-Ratios von 0,12 bzw. 0,15 für Winterweizen und Zuckerrüben. Insgesamt waren N2O- und N2-Emissionen am höchsten, wenn die Stickstoff- und Wasseraufnahme der Pflanzen gering war, d. h. in den frühen Wachstumsstadien, während der Abreife und nach der Ernte.
Weiterer Forschungsbedarf
Der vorhandene Datensatz liefert einen wertvollen Beitrag zur Modellierung von N2-Verlusten aus landwirtschaftlich genutzten Böden. In einem aktuellen Nachfolgeprojekt wird der Effekt von unterschiedlichen Gülleausbringungstechniken auf die gasförmigen N-Verluste (N2O, N2, NO, NH3), N-Auswaschung und N-Aufnahme in einer Mais-Weizen-Fruchtfolge untersucht.
Originalveröffentlichung: Eckei J., Well R., Maier M., Matson A., Dittert K., Rummel P.S. Determining N2O and N2 fluxes in relation to winter wheat and sugar beet growth and development using the improved 15N gas flux method on the field scale. Biology Fertility of Soils (2024). https://doi.org/10.1007/s00374-024-01806-z
Literatur: Well R., Burkart S., Giesemann A., Grosz B.P., Köster J.R., Lewicka-Szczebak D. (2019) Improvement of the 15N gas flux method for in situ measurement of soil denitrification and its product stoichiometry. Rapid Communications in Mass Spectrometry 33:437–448. https://doi.org/10.1002/rcm.8363
Kontakt
Dr. Pauline Sophie Rummel
Universität Aarhus
Sektion für Mikrobiologie
E-Mail: pauline.rummel@bio.au.dk
Internet: https://www.au.dk/en/pauline.rummel@bio.au.dk
Prof. Dr. Klaus Dittert
Georg-August-Universität Göttingen
Abteilung Pflanzenernährung und Etragsphysiologie
E-Mail: klaus.dittert@agr.uni-goettingen.de
Internet: https://www.uni-goettingen.de/de/forschung/621569.html
